基于单片机的智能电动小车设计

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目 录

1绪论 ........................................................................................................................................... 1

1.1智能小车设计背景 ......................................................................................................... 1 1.2智能小车的意义 ............................................................................................................. 1 2智能电动小车的总体设计方案 ............................................................................................... 3

2.1总体方案论证与比较 ..................................................................................................... 3 2.2探测轨迹模块 ................................................................................................................. 4 2.3检测金属铁片模块 ......................................................................................................... 5 2.4 避障模块 ........................................................................................................................ 6 2.5寻找光源模块 ................................................................................................................. 6 2.6显示模块 ......................................................................................................................... 7 2.7测量里程模块 ................................................................................................................. 7 2.8 电动机驱动模块 ............................................................................................................ 8 3系统的硬件电路设计 ............................................................................................................... 9

3.1检测轨迹电路 ................................................................................................................. 9 3.2 检测金属片电路 .......................................................................................................... 11 3.3 检测障碍物电路 .......................................................................................................... 11 3.4检测光源电路 ............................................................................................................... 16 3.5显示电路 ....................................................................................................................... 16 3.6测量里程电路 ............................................................................................................... 18 3.7电动机驱动电路 ........................................................................................................... 19 4 系统的软件设计 .................................................................................................................... 21

4.1 程序设计 ...................................................................................................................... 21 4.2主程序设计 ................................................................................................................... 21 4.3 探测金属程序设计 ...................................................................................................... 23 4.4 测量里程程序设计 ...................................................................................................... 23 4.5躲避障碍物子程序设计 ............................................................................................... 24 结束语 ........................................................................................................................................ 25 参考文献 .................................................................................................................................... 26

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附录A 源程序 .......................................................................................................................... 27 附录B 总硬件图 ...................................................................................................................... 33 致谢 ............................................................................................................................................ 34

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摘 要

80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用80C51单片机来实现长春工业大学的毕业设计，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。

关键词：80C51单片机；光电检测器；PWM调速；电动小车

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Abstract

80C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. This article introduces the CCUT graduation design with the 80C51 single chip computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 80C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.

Keywords: 80C51 single chip computer; light electricity detector; PWM speed adjusting; Electricity motive small car

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1绪论

1.1智能小车设计背景

随着汽车行业的快速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。

根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，让电动小汽车能够自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的喜爱。它是第三代单片机的代表。

1.2智能小车的意义

第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452，还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Jujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线CAN(Controller Area Network BUS)。

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新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。

本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于玩具、机器人、医疗器械等诸多方面。特别是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与生活实际相结合，现实意义很强。

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2智能电动小车的总体设计方案

2.1总体方案论证与比较

(1) 方案一：采用AT89C51单片机作为整机的控制单元。

以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中、探测预埋金属铁片、自动寻迹、 躲避障碍物、测量里程等问题。并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能化控制[1]。

在本系统中，反射式红外光电传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨道下的金属铁片，并发出声光信息进行提示；通过霍尔元件测量小车行驶里程；采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用LCD1602实时显示小车行驶的时间。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。此方案的基本原理如图2.1所示。

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显示模块 蔽障模块 寻找光源 模块 测量里程模块 At89c51 单片机 电机驱动模块 探测轨迹 模块 探测金属 模块 声音提示

图2.1 智能车运行基本原理框图

(2) 方案二：采用各类数字电路来组成电动小车的控制系统。

采用数字电路对外围探测轨迹信号，检测金属信号，避障信号，寻找光源信号分部进行处理。但对输入输出都是模拟量的小装置，假如采用数字化方案，则要先用A/D转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经D/A转换器将数字量转换为模+拟量。这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。所以本方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。同时，对各路信号处理也比较困难。

比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案一来实现。

2.2探测轨迹模块

在本设计中，要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。其探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。下面几种方案是根据本原理设计的。

(1) 方案一：利用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，因此放弃该方案。

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(2) 方案二：利用光敏电阻组成光敏探测器。

光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。

(3) 方案三：采用反射式红外线光电传感器。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点[2]。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。

红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。因此本方案易于实现，也比较可靠。所以本设计采用方案三。

2.3检测金属铁片模块

(1) 方案一：采用探测线圈和探测仪构成的金属探测器。

此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原理，将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的，但是该探测器的结构复杂。因此不易采用。

(2) 方案二：采用根据电涡流原理自制的传感器。

该传感器取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率不高，难以精确输出传感信息。

(3) 方案三：利用电感式接近开关代替金属探测器。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，可用于检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制等。

当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制。其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。因此用它作为小车的金属传感器，简单易行、抗干扰性能优越。

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综合考虑以上三种方案的优越性，本设计选择方案三。 2.4 避障模块

考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物30CM的范围内做出反应，这样在绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。根据上述要求，提出下列方案。

(1) 方案一：采用激光传感器探测障碍物。

该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格昂贵，处理繁琐，不符合该设计的要求。

(2) 方案二：采用超声波传感器探测障碍物。

超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。

同时，超声波传感器具有频率高、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生明显反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在生产、国防、医学等方面。

鉴于智能电动小车应以是以智能为显著特点，所以采用方案二。

2.5寻找光源模块

(1) 方案一：采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。

若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出光源的方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。

(2) 方案二：利用由光敏电阻组成的光控开关电路。

利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电管，它是基于半导体内光电效应工作的。当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围

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的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。

光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定，因此在自动化技术中得到了广泛的应用。

综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用方案二。

2.6显示模块

(1) 方案一：采用LED数码管显示。

在系统中要用到多只LED数码管进行动态显示即可达到要求。其优点是价格便宜，寿命长。缺点是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路设计复杂，且占用空间。

(2) 方案二：采用LCD1602液晶显示器。

LCD广泛应用于微型计算机控制系统中。与LED相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。目前已广泛应用在各种显示领域。另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，LCD已成为一种占主导地位的显示器件[3]。

因此，本设计采用方案二。

2.7测量里程模块

(1) 方案一：通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t*v作为驶过的里程。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。故不予采用。

(2) 方案二：采用开关式霍尔元件。

在车轮上安装小磁钢，将霍尔开关器件安装在固定轴上。当车轮转动时，磁钢也跟着转动，霍尔元件感应到磁场的变化时，就会产生通断效果，使单片机的输入端产生高低电平的变化，从而使其计数小车车轮转的圈数，假设为N，并设车轮的周长为L，通过S=N*L，就可以计算出小车在一段时间内的里程。

霍尔元件由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，被广泛用于电流、磁场、位移、压力等物理量的测量。同时，霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性好，抗干扰能力强，对外围电路要求简单，使用寿命长，价格低廉等特点，安装也较为方便。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。

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(3) 方案三：采用透射式光电开关。

在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶里程。但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。

通过比较上述方案的优缺点，综合多方面因素决定选用方案二。

2.8 电动机驱动模块

(1) 方案一：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。

(2) 方案二：采用继电器控制电机。

采用继电器对电机的开或关进行控制。通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

(3) 方案三：采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。

通过PWM脉宽调制的方法，实现对小车速度的控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点，是一种广泛采用的调速技术。

H型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片L298N，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2A，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。完全满足设计要求[4]。

综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。

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3系统的硬件电路设计

单片机（SCM）是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称。它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着SCM在技术上、体系上不断扩展其控制功能，国际上已经采用MCU（MicroControllerUnit）代替单片机的名词。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。近年来，AT89C51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的闪烁ROM，并且闪烁ROM可以直接用编程器来擦写（电擦写），使用起来比较方便。

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既要按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，又要设计合适的接口电路。

本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车行走，同时将相关数据送显示单元动态显示。

在本系统中，AT89C51单片机的P1口用于LCD1602显示，P2.0、P2.1口用于电动机的PWM驱动控制，P0.3、P0.4口用于探测轨迹，P0.5口用于探测障碍物，P0.0、P0.1口用于寻找光源。P0.6用于LED提示，P0.7用于蜂鸣器报警，P3.2外部中断0用于检测金属铁片，P3.3外部中断1用于计数脉冲，从而达到测量里程的目的。

3.1检测轨迹电路

轨迹探测电路根据反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。如图3.1所示。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。

当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号， 经白色反射

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后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图3.1中光敏三极管将导通，输出低电平，经LM306电压比较器送单片机控制。当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。即当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平[5]。

+5vR210KR110K23D1LEDQ1NPN+5vR3ouKt10568+U2-47OUTC11uFR410KR51+5v

图3.1 轨迹探测电路图

为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。在小车行走过程中，结合查询方式，通过程序控制小车行走轨迹。如果左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向右转；如果右方向偏离黑线，则左侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向左转。从而保证小车沿黑线行驶。

电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境中能够寻迹。由于接收对管装在车底，发射距离的远近较难控制，调节可调电阻，灵敏度不高，因此采用在对管上套一塑料管，屏蔽外界光的影响，灵敏度将大幅提升。在该电路中，加比较器LM306的目的是使模拟量转化为开关量，便于处理。

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3.2 检测金属片电路

电感式接近开关由三大部分组成：LC振荡器、开关电路及放大输出电路。它的工作原理是外界的金属性物体对它的高频—振荡器产生非接触式感应作用。振荡器即是由缠绕在铁氧体磁芯上的线圈构成的LC振荡电路。振荡器通过传感器的感应面，在其前方产生一个高频交变的电磁场。当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并到达感应区时，在金属物体内产生涡流效应，这个涡流反作用于接近开关，从而导致LC振荡电路振荡能力衰减，振幅变小，内部电路的参数发生变化，即称之为阻尼现象。这一振荡的变化，即被开关的后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号，触发开关并驱动控制器件，从而达到非接触式目标检测之目的。这种接近开关所能检测

的物体必须是金属物体。其原理框图如图3.2所示。

金 感 输出

属 应 电源 振荡器 物 体

图3.2 接近开关原理框图

头 Lc 晶体 开关 放大 电路

在车底中部安装一个金属检测传感器，将其检测面对准运行路面，当小车通过金属铁块时，输出端输出一个高电平信号，将这个高电平信号通过74LS04反相器，将信号用单片机检测出来，借此控制电动机产生相应的动作，并声光提示。检测金属铁片电路原理图如图3.3所示。

接近开关+5v74LS04P3.2 图3.3 检测金属铁片电路原理图

3.3 检测障碍物电路

采用超声波传感器探测障碍物。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可

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做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。

作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。

本设计应用反射式超声波探测电路探测障碍物。该电路分为超声发射电路，超声接收电路和信号处理电路[6]。

(1) 超声发射电路

超声发射电路由时基电路555组成，555振荡电路的频率可以调整，调节电位器RP1可以将接受超声传感器的输出电压调至最大，通常可调至40kHz。电路如图3.4所示。

+5v8R7R61kD24C450.1uGND5.1kR91kC337R82.2k60.1uRVCCQDOCVY12TRTH5551C50.1u 图3.4 超声波发射电路

该电路用到时基电路LM555。 LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。

其各个引脚的功能如下：6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。4脚为复位端（R），叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为低电平。5脚为控制电压端(CV )，可以用它来改变上下触发电平值。8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。

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一般可以把 LM555 电路等效成一个大放电开关的R-S 触发器。这个特殊的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端 R，高电平有效；触发端（TR）可看成是置位端S，低电平有效。它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q 端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：反Q=1时DIS 端接地；反Q=0时DIS端悬空。此外这个触发器还有复位端 R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。图3.5是等效的触发器和它的功能真值表。

图3.5 等效的触发器和它的功能真值表

这个特殊的R-S 触发器工作原理：

① 两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。

② 两个输入端的触发电平，是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压时，对TH（R）端来讲，大于2/3VCC是高电平1，小于2/3VCC是低电平0；而对 TR（S）端来讲，大于1/3VCC是高电平1，小于1/3VCC是低电平0。如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成 1/2VC。可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。 (2) 超声波接收电路

超声波接收电路使用超声波接收传感器，当它接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到集成比较器LM393进行处理。LM393输出的是比较规范的方波信号。将此方波信号输出到信号处理电路。电路如图3.6所示。

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+12R60.03K2MRP1R512U15.1kR134100.01p5.1kC1R8RES2CCGNDC22500PPLTOPM+OPM-11TAC MO-E5D1R40.033kLEDR3R105.1kC3X1R70.039K325U+2A-UC1D214V+TAC MO+C8OUT9100p+12R95M0.01kD3ZENER1图3.6 超声波接收和处理电路

(3) 信号处理电路

信号处理电路使用集成电路LM2907N，它原是测量转速用的IC，其内部有F/V转换器和比较器、充电泵、高增益运算放大器，它的输出要求有一定频率的信号，能将频率信号转换为直流电压信号。

LM2907N具有以下特点：

① LM2907N进行频率倍增时只需使用一个RC网络；

② 以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入； ③ 运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；

④ 最大50mA的输出电流可驱动开关管、发光二极管等； ⑤ 内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能； ⑥ 比较器的滞后电压为30mV利用这个特性可以抑制外界干扰； ⑦ 输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为±0.3%；

⑧ 具有保护电路，不会受高于Vcc值或低于地参考点输入信号的损伤； ⑨ 在零频率输入时，LM2907N的输出电压可根据外围电路自行调节；

⑩ 当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。

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LM2907N的内部结构及各引脚功能如图3.9所示，LM2907N的引脚功能如下： ① 脚（F）和11脚（IN-）为运算放大器／比较器的输入端； ② 脚接充电泵的定时电容（C1）；

③ 3脚接充电泵的输出电阻和积分电容（R1/C2）； ④ 4脚（IN+）和10脚（UF1）为运算放大器的输入端； ⑤ 5脚为输出晶体管的发射极（U0）；

⑥ 8脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC）； ⑦ 9脚为正电源端（VCC）； ⑧ 12脚为接地端（GND）； ⑨ 6，7，13，14脚未用。

+10v-+充电泵-+Q21C6100uR14100kC7100uR1110kR10.32k 图3.7 LM2907N原理框图

将LM2907N的8脚接到单片机输入口。由图3.7可以看出，由于两个串联5.1kΩ电阻的分压，LM290N7的10脚电压Vop-=6V，这是内部比较器的参考电压。内部比较器的4脚电压为Vop+输入电压，它是电阻R（51KΩ）上的电压，这个电压和频率有关的。当Vop+大于Vop-时，比较器输出为“1”，LM2907N内部三极管导通（或饱和）输出为“0”，则发光二极管LED点亮。

因此，当超声发射电路由LM555产生40KHz方波来起振超声波发射探头，使其发射超声波，如智能电动小车前方遇到障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，超声波接收电路接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到比较器LM393使其调整为方

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波输出到LM2907N，LM2907N芯片会把此方波信号的频率转化为对应电压值，当此电压值大于由4号引脚输入的门电压时，LM2907N的8号引脚输出低电平，LED处于发光状态。即当有障碍物时LED处于发光状态，LM2907N的8号引脚输出低电平，同时通过8脚将信号送给单片机，使单片机该根据信号控制小车转向，从而实现避开障碍物的目的。

3.4检测光源电路

利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，如图3.8所示，检测光源。为了检测光线的强弱，我们在小车左前方、右前方加了2只光敏传感器，即光敏电阻。它根据照射在它上面的光线的强弱，阻值发生变化，输出电压随之变化。当小车前方无光照射时， 光敏电阻阻值很大，三极管处于截止状态， 集电极输出高电平；当有光照射时， 光敏电阻阻值变小， 三极管饱和导通[7]。将检测到的高低电平信号送单片机， 依此调整车头方向， 使其沿光源方向行驶。

+5VR112KR42KOUTR2Q16.7KR3

图3.8 光源检测电路

3.5显示电路

本设计采用LCD1602显示，其与单片机的连接方式如图3.9所示。单片机的P1口与LCD1602的连接。

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LMD16LLCD1U1ERSRU987654RSRUE171615141312111028272625242322213233343536373839P1.7/RDUUP3.6/URP3.5/T1P3.4/TUP3.3/INT1P3.2/INTDP3.1/TXDP3.0/RXDP2.7/R15P2.6/R14P2.5/R13P2.4/R12P2.3/R11P2.2/R10P2.1/R9P2.0/R8P0.7/RD7P0.6/RD6P0.5/RD5P0.4/RD4P0.3/RD3P0.2/RD2P0.1/RD1P0.0/RD0P1.8P1.7P1.6P1.5P1.3P1.2P1.1P1.0876543211413121110321VEEVDDVSSERURSD7D6D5D4D3D2D1D0RV10KEAALEPSEN313049R1910K+5vC3+10uC2RST30pXTAL2XTAL11819x1C1图3.9 显示电路

30p

该电路用到2行16个字的DM-162液晶模块，它采用标准的14脚接口，如图3.10所示。其中：

图3.10 DM-162液晶模块

(1) 第1脚：VSS为地电源 (2) 第2脚：VDD接5V正电源

(3) 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。

(4) 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。 (5) 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平

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时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

(6) 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳成低电平时，液晶模块执行命令。 (7) 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

3.6测量里程电路

本设计采用霍尔传感器A4EE测量里程。A4EE集成霍尔开关属于开关型的霍尔器件，其工作电压范围比较宽（4.5～18V），其输出的信号符合TTL电平标准。它由稳压器A、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。如图3.11所示。

在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差HV输出，该HV信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态称为开。当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态称为关。两次电压的变换，霍耳开关就完成了一次开关动作。

VCCAOUTBCDC图3.11 霍尔传感器A4EE的内部结构

将霍尔元器件以一定方式装成后，再将霍尔传感器H的1脚和3脚间接2KΩ的电阻，霍尔传感器的使用原理如图3.12所示。

在非磁材料的车后轮上粘贴片磁钢（N、S磁极），将霍尔传感器固定在小磁钢（N、S磁极）附近，当车轮转动时，磁钢也跟着转动，霍尔元件感应到磁场的变化。若N极经过霍尔开关，其输出电压为正，则S极经过霍尔开关，其输出电压为负；反之，亦然。所以N极穿过霍尔开关产生正脉冲，S极穿过霍尔开关产生负脉冲。每经过一对N、S极，就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。因此，汽车后轮每转一圈，霍尔元件

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产生个脉冲，将其送入单片机进行计数小汽车车轮转的圈数，转一周所产生的正负方波总长度，即是电机的转动周期T。将其送入单片机进行计数，假设为N，并设车轮的周长为L，通过S=N*L，就可以计算出小车在一段时间内的距离。本设计选择P3.3口作为信号的输入端，内部采用外部中断1，车轮每转一圈，霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，从而对脉冲计数。

+5V22k3H1P3.3

图3.12 霍尔传感器测速电路

3.7电动机驱动电路

直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式驱动电路。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图3.13所示。

图3.13 H型全桥式驱动电路

全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。当全部导通时，电机处于刹车状态。当全部关断时，电机将自由滑行[8]。其工作状态表如表3.1所示。

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表3.1 电机工作状态表

状态 正转 反转 刹车 滑行

S1 1 0 1 0

S2 1 0 1 0

S3 0 1 1 0

S4 0 1 1 0

在本设计中用到电机驱动芯片L298N。PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路L298N后接至电机，控制小车运动。如图3.14所示。L298N芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的。每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流

检测电阻。Vcc接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL 逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。

+12V+12V+12V4D2D1923UOT1OUT213D4D314IN1IN2IN3IN4ENAENBSENSASENSBU7571012611115VSOUT3OUT4GND8VCC

图3.14 H型全桥式驱动电路

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4 系统的软件设计

4.1 程序设计

程序设计(Programming)是指设计、编制、调试程序的方法和过程。它是目标明确的智力活动。在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件也占有重要的地位。

在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。

为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法。

模块程序设计法的主要优点是：

(1) 单个模块比起一个完整的程序易编写、调试及修改。 (2) 程序的易读性好。 (3) 程序的修改可局部化。

(4) 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用。 (5) 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑中断程序（探测金属和测量里程）、躲避障碍物子程序构成。

4.2主程序设计

在系统的程序设计中，主控模块只负责根据消息调用相应模块的处理函数，具体如何处理这些消息由各功能模块中的对应程序决定。

在主程序模块中，需要完成对各模块接口的初始化，LCD1602的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除

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标志寄存器，并对它们进行初始化。然后，主程序将根据各标志寄存器的内容，分别完成不同的操作。主程序流程图如图4.1所示。当接通电源时，小车启动，同时LCD1602开始计时。在行驶中，结合程序查询方式，若P0.3为高电平表示小车左方向偏离黑线，则控制小车右转；若P0.4为高电平时表示小车右方向偏离黑线，则控制小车左转，从而实现自动寻迹。当检测到障碍物时，调用躲避障碍物子程序，达到躲避障碍物的目的。当检测到金属铁片时，产生中断，进行声光提示。最后通过光源的引导，停车。

计时开始 初始化 开始 P0.3 为高？ 右转

P0.4为高？ 左转

是否检测到障碍物？

躲避障碍子程序 是否检测到光源？ 前进5秒 停车

图4.1 主程序流程图

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4.3 探测金属程序设计

在小车行驶过程中，当检测到金属铁片时，输出一个低电平信号使单片机中断0产生中断，并进行声光提示，同时小车车速减慢。当中断清除后，小车各模块恢复到中断前的状态。探测金属中断程序流程图如图4.2所示。

中断 保护现场 声光提示 清中断 结束

图4.2 中断0程序流程图

4.4 测量里程程序设计

当霍尔传感器输出一个低电平信号就使单片机中断一次，并计数脉冲。因此，在该程序中，需要完成当前行驶里程数累加操作，并将结果存入里程寄存器中。测量里程中断程序流程图如图4.3所示。

中 断 保护现场 计数脉冲加一 清中断 结束 23 内江师范学院专科毕业设计

图4.3 中断1程序流程图

4.5躲避障碍物子程序设计

当超声波电路检测到障碍物时，将信号送入单片机。单片机控制小车后退并左转， 若左转不能避开障碍物，则右转，直到避开障碍物。躲避障碍物子程序流程图，如图4.4所示。

结 束

图4.4 躲避障碍物子程序流程图

清中断 左 转 继续前进 后 退 是否转 到位 左 转 后 退 保护现场 中断

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结束语

通过本次毕业设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识，也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。本设计涉及到《电机学》、《单片机原理及应用》、《传感器与检测技术》、《微型计算机控制技术》、《模拟电子技术》等学科。让我对专业知识有了更深的理解。

在本次毕业设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：智能小车国内外发展现状、AT89C51单片机及其引脚说明、LM2907N引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。

在做设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过网上找资料、理清了思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了毕业设计中的道道难题。办事只要有了头绪，就会简单很多。本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。总的感受有以下几方面：

(1) 巩固了课本上的知识。通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等，有了一定的认识。

(2) 在本次设计中，我进一步加强了自己的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案；特别是深刻体会到的是软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。

(3) 通过本次设计，让我了解到智能化技术对当今人们生活的重要性。同时这次做毕业设计的经历也使我受益匪浅。让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做。只有这样，才能做好。

在这次设计中，我既巩固了专业知识，又学到了在智能化设计过程中的许多流程和该注意的事项，增强了电子产品开发的意识。本次经历将是我在大学时期很好的一次实践和锻炼机会。

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参考文献

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[2] 何立民．基于HCS12的小车智能控制系统设计 [J]．单片机与嵌入式系统应用．2007， (6) :102-104。

[3] 方建军．何广平．智能机器人[M]．北京：化学工业出版社，2004．46-48。 [4] 张立．电子世界[M]．电动小车的循迹，2004．30-31。

[5] 武庆生，仇梅．单片机原理与应用[M].电子科技大学出版，1998．12 [6] 滕志军．基于超声波检测的倒车雷达设计[J]．今日电子，2006，(5):32-34。 [7] 周国运．单片机原理及应用［M］．北京：中国水利水电出版社，2009．16-35 [8] 潭浩强． C程序设计［M］．北京：清华大学出版社，2010．11

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附录A 源程序

主程序：

RIGHT_BLACK EQU P0.3 LEFT_BLACK EQU P0.4 ZHANGAI EQU P0.5 LEFT_LAMP EQU P0.0 RIGHT_LAMP EQU P0.1 BELL EQU P0.6 LED EQU P0.7 DATA1602 EQU P1 RS EQU P3.7 RW EQU P3.6 E EQU P3.5 IN1 EQU P2.0 IN2 EQU P2.1 ENA EQU P3.4 SECBUF EQU 21H MINBUF EQU 22H BUF EQU 20H LCD1 EQU 30H LCD2 EQU 31H LCD3 EQU 32H LCD4 EQU 33H LCD5 EQU 34H

COUNTER EQU 35H LENGTH EQU 36H LICHENG EQU 37H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP EXT0 ORG 000BH LJMP ITT0

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ORG 0013H

LJMP EXT1 ORG 0100H MAIN: MOV R0, #00H MOV LCD1,#0 MOV LCD2, #0 MOV LCD3, #11 MOV LCD4, #0 MOV LCD5, #0 MOV BUF, #0 MOV SECBUF, #0 MOV MINBUF, #0 SETB P3.5 CLR P2.0 CLR P2.1 CLR P3.4 MOV SP, #60H MOV TMOD, #11H MOV TH0, #3Ch MOV TL0, #0B0h

MOV LENGTH,#1 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB IT0 SETB EX0 SETB EX1 SETB TR0 SETB P3.5 SETB PT0

MOV DATA1602,#00000001B ACALL ENABLE MOV DATA1602,#00111000B ACALL ENABLE 28

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MOV DATA1602,#00001100B ACALL ENABLE MOV DATA1602,#00000110B ACALL ENABLE MOV DATA1602,#86H ACALL ENABLE MOV R7,#5 MOV DPTR,#TAB MOV R0,#30H LCALL DISPLAY SETB TR0 SETB ENA CARFOR: LCALL MOT LJMP CARFOR LOOP: SETB P0.6 LCALL DELAY SJMP LOOP LOOP2: SETB P0.7 LCALL DELAY SJMP LOOP2 START: CLR IN1 CLR IN2 LCALL TT CLR IN2 SETB IN1 LCALL TT LCALL TT SETB TR0 SJMP START 中断0程序： EXT0:

;开定时器29

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PUSH ACC PUSH PSW SETB RS0 CLR RS1 CLR P0.6 CLR P0.7 MOV R2, #5 LCALL OFF LOOP3: CLR P0.6 CALL DELAY CLR P0.7 CALL DELAY CPL P0.6 CALL DELAY SETB P0.7 DJNZ R2, LOOP3 POP PSW POP ACC LCALL ZZ RETI OFF: CLR IN1 CLR IN2 LCALL DELAY RET DELAY: MOV R5 , #50 D1: MOV R6, #20 D2:

MOV R7, #248 D4: DJNZ R7, $ DJNZ R6, D2 DJNZ R5, D1 RET

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中断1程序：

EXT1:

INC COUNTER ；计算路程 =圈数*周长 MOV A, COUNTER MOV B, LENGTH MUL A , B MOV LICHENG, A LCALL XIANSHI RETI躲避障碍物子程序： JIANCE: MOV C, P0.3 MOV 22H, C MOV C, P0.4 MOV 23H, C MOV C, P0.5 MOV 24H, C GUIJI:

JB 22H, TURNRIGHT JB 23H, TURNLEFT

AJMP GUIJI RET ZHANG: JNB 24H, FF LCALL TURNLEFT AJMP JIANCE JNB 24H, TURNRIGHT AJMP JIANCE RET

FF: CLR IN1 CLR IN2 LCALL TT CLR IN1 SETB IN2 LCALL TT

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LCALL TT RET

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+5vR210K2+U2-H7p2.73RSRUE17161514131211102827262524232221p2.5D3233343536373839C2kU23Q1NPND1LEDR310K+5V+5vLMD16LLCD180C51P1.7/RDP3.6/URP3U.5U/T1P3.4/TUP3.3/INT1P3.2/INTDP3.1/TXDP3.0/RXDP1.8P1.7P1.6P1.5P1.3P1.2P1.1P1.01413121110987654C11uFR410KR5A接近开关74SL04+5v87654321p2.7P2.7/R15p2.6P2.6/R142.5P2.5/R13p2.4P2.4/R12P2.3/R11P2.2/R10P2.1/R9P2.0/R8411321VEEVDDVSSERURSD7D6D5D4D3D2D1D06R110K852RV10KEAALEPSEN内江师范学院专科毕业设计

VCCBC+5v+5VR112KR42K313049C3R1P0.7/RD7P0.6/RD6P0.5/RD5P0.4/RD4P0.3/RD3P0.2/RD2P0.1/RD1P0.0/RD010uRST910K+C230pXTAL2XTAL118x1

1J41234CON3p2.6R2R60.03KQ12MRP1+12R519C130p12U15.1kR1D3GNDC22500PCCR86.7KR3RES2PLTOPM+11OPM-TAC MO-34105.1kC1U37805+5v21Vin0.01pVout3C2C3GNDC4330UF330UFC6104330UFC81043X1R70.039K325EU+2A-UC11D25D1R4V+TAC MO+C8LED附录B 总硬件图

0.033kC3p2.44R39100pR10R95M0.01k+125.1kD3ZENER1

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ERSRU+5v内江师范学院专科毕业设计

致谢

时光飞逝，大学生活转眼即逝，在大学的学习中我不但学到了知识，还认识了很多值得珍惜的老师和同学。在即将离校的日子，我更加珍惜这所剩无几的日子，努力地完成了毕业设计，在这个过程中，江绍明老师给了我们极大的帮助，不仅让我们看到了51世界的美妙，同事为让我们对科学知识的学习探索充满了兴趣，我们学会了对待知识，科学应该严谨。同事变得自立。自主的学习。

毕业设计是大学生活中最后阶段的工作，是真正考验我们能力的一项教学内容，在这个过程中我们认真思考，努力发现解决在设计过程中遇到的问题。在这 过程中我们体会到一分耕耘一封收获的道理。毕业设计即将结束，我会吸取毕业设计中的经验和教训，在今后的学习工作中不断进步。

在这即将离校的日子里，感慨之情油然而生。大学教给了我们很多东西。此刻，我十分感谢母校、感谢老师们对我的教诲。虽然有很多不舍，但我依然会昂首走向新的生活，不辜负老师们的培养。

最后感谢图书馆、电子阅览室为我们提供查找资料的场所和优质的服务。在此，向所有关心和帮助过我们的领导、老师、同学表示由衷的谢意！衷心感谢你们的付出。

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